大学院物理システム工学専攻2004年度 固体材料物性第4回
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Transcript 大学院物理システム工学専攻2004年度 固体材料物性第4回
工学系12大学大学院単位互換 2005年度
磁気光学入門第2回
－磁気光学効果とは何か－
佐藤勝昭
東京農工大学副学長・大学院工学府兼務
今回の講義のねらい
磁気光学効果とはどのような現象かについて
概略的なことを学びます。
この現象を学ぶには、偏光という概念から出発
しなければなりません。このために、この講義で
は光は電磁波であるということから出発します。
直線偏光が回転したり、楕円偏光になったりす
る現象（光学活性）を学び、さらに、磁気光学効
果が磁界または磁化によって生じる光学活性
であることを学びます。
光の偏り（偏光）
光は電磁波である。
電界ベクトルEと磁界ベクトルHは直交
偏光面：Hを含む面、振動面：Eを含む面
偏光の発見
１８０８年，ナポレオン軍の陸軍大尉で技術者のE.L.
Malus がパリのアンフェル通りの自宅の窓からリュクセ
ンブール宮の窓で反射された夕日を方解石の結晶を回
転させながら覗いていた時発見された。
http://www.polarization.com/history/history.html
スケッチ
リュクサンブール宮
佐藤勝昭画
直線偏光
偏光面が一つの平面に限
られたような偏光を直線偏
光と呼ぶ。
直線偏光を取り出すため
の素子を直線偏光子という。
直線偏光子には、複屈折
偏光子、線二色性偏光子、
ワイヤグリッド偏光子、ブ
リュースタ偏光子などがあ
る。
円偏光
ある位置で見た電界（または磁界）ベクトルが時間とともに回転す
るような偏光を一般に楕円偏光という。
光の進行方向に垂直な平面上に電界ベクトルの先端を投影した
ときその軌跡が円になるものを円偏光という．円偏光には右（回
り）円偏光と左（回り）円偏光がある。（どちらが右まわりでどちら
が左まわりかは著者により定義が異なっているので注意。 ）
•円偏光は、直交する
２つの直線偏光の合
成で、両偏光の振動
の位相の間に90°の
差がある場合であると
考えられる。
旋光性と円二色性
物体に直線偏光を入射したと
き、透過してきた光の偏光面
がもとの偏光面の方向から回
転していたとすると，この物体
は自然旋光性を持つという。
水晶、ブドウ糖、ショ糖、酒石
酸等
これらの物質には原子の並び
にらせん構造があって，これ
が旋光性の原因になる。
旋光性の発見
物質の旋光性をはじめて見つけたのは、フ
ランスのArago（1786-1853）で、1811年に，
水晶においてこの効果を発見した。
Aragoは天文学者としても有名で、子午線
の精密な測量をBiot（１７７４－１８６２）とと
もに行い、スペインでスパイと間違われて
逮捕されるなど波爛に満ちた一生を送った
人である。ちなみに、Biotはビオ・サヴァー
ルの法則の発見者の１人としても有名。
Aragoの発見は Biotに引きつがれ、旋光
角が試料の長さに比例することや、旋光角
が波長の二乗に反比例すること（旋光分
散）等が発見された。
François Arago
1786 - 1853
円二色性
酒石酸の水溶液などでは、右円偏光と左円偏光とに対して吸光度
が違うという現象がある。これを円二色性という。この効果を発見し
たのはCottonという人で１８６９年のことである。彼は図２．４のよう
な装置をつくって眺めると左と右の円偏光に対して明るさが違うこと
を発見した。後で説明するが（３．１節）、円二色性がある物質に直
線偏光を入射すると透過光は楕円偏光になる。
図の番号は、教
科書「光と磁気」
の図番である。
酒石酸
ワインは、葡萄果実の酸を持つ酒で、
この酸は主として酒石酸である。ワイ
ンの中では、大部分が酸性の酒石酸
カリウムとして存在している。
この酸性酒石酸カリウムは、非常に溶
解度が小さく、時に結晶として析出す
る。この結晶が「酒石」で、「ワインのダ
イヤモンド」とも呼ばれている。ワイン
のボトルを低温下で長期間保存すると、
酒石が徐々に析出する。
光学活性
旋光性と円二色性とをあわせて、光学活性と呼
ぶ。一般にこれらの性質は同時に存在する。
直線偏光を円二色性をもつ物質に入射すると、
出てくる光は楕円偏光になる。
円二色性をもつ物質においては、旋光性は出
円偏光の主軸の回転によって定義される。
旋光性と円二色性は、クラマースクローニヒの
関係で結びついており、互いに独立ではない。
クラマース・クローニヒの関係
図2.10は旋光角のスペクトルと円二色性
のスペクトルを１つの図に描いたものであ
る。
旋光性と円二色性は互いに独立ではなく、
クラマース・クローニヒの関係式で結びつ
いている。（詳細は、後の講義で）
一般に物理現象における応答を表す量
の実数部と虚数部は独立ではなく、互い
に他の全周波数の成分がわかれば積分
により求めることができるという関係
旋光角のスペクトルは、円二色性スペクト
ルを微分したような形状をもっている。
右図は、佐藤研で
測定したネオジム
磁石(NdFe2B14)
の磁気カー効果
のスペクトルであ
る。Rotation(回
転)のピーク位置
はEllipticity(楕円
率=円二色性に比
例)のS字曲線の
中心付近に来る。
Kerr Rotation & Ellipticity [degree]
Kramers-Kronig関係の例
0.2
Kerr Ellipticity
0.0
Kerr Rotation
-0.2
鏡のデータを引いたもの
鏡のデータを引いてないもの
-0.5
1
2
3
4
Photon Energy [eV]
5
6
光学活性の分類
物質本来の光学異方性による光学活性を「自
然活性」とよぶ。
電界あるいは電気分極によって誘起される光
学活性を電気光学(EO)効果という。
ポッケルス効果、電気光学カー効果がある。
磁界あるいは磁化によって誘起される光学活
性を磁気光学(MO)効果という。
応力による光学活性をピエゾ光学効果または
光弾性という
非磁性体のファラデー効果
ガラス棒にコイルを巻き電流を通じるとガラス棒の長手方
向に磁界ができる。このときガラス棒に直線偏光を通すと
磁界の強さとともに偏光面が回転する。この磁気旋光効
果を発見者Faradayに因んでファラデー効果という。
光の進行方向と磁界とが同一直線上にあるときをファラ
デー配置といい、進行方向と磁界の向きが直交するよう
な場合を、磁気複屈折を発見したVoigtに因んでフォーク
ト配置という。
ファラデー効果
ファラデー配置において直線偏光が
入射したとき出射光が楕円偏光にな
り、その主軸が回転する効果
M. Faraday (1791-1867)
ヴェルデ定数
強磁性を示さない物質の磁気旋光角をθF、磁界をH、光
路長lとすると、
θF ＝VlH
と表される。V はベルデ(Verdet)定数と呼ばれ、物質固
有の比例定数である。
ヴェルデ定数一覧表 =546.1nm 理科年表による
物質
酸素
プロパン
水
クロロホルム
V [min/A]
7.59810-6
5.005 10-5
1.645 10-2
2.0610-2
物質
NaCl
ZnS
クラウンガラス
重フリントガラス
V [min/A]
5.1510-2
2.8410-1
2.4 10-2
1.33 10-1
直交偏光子
偏光子Ｐと検光子Ａを互いに偏光方向が垂直
になるようにしておく 。（クロスニコル条件）
この条件では光は通過しない。
A
P
ファラデー効果による光スイッチ
クロスニコル状態の偏光子Ｐと検光子Ａの間に長さ
0.23 mのクラウンガラスの棒を置き106 A/m(～1.3T)
の磁界をかけたとすると、ガラス中を通過する際にほ
ぼ90゜振動面が回転して検光子Ａの透過方向と平行
になり光がよく通過する。
A
P
ファラデー効果と自然旋光性のちがい
ファラデー効果においては磁界を反転すると逆方向に回
転が起きる。つまり回転角は磁界の方向に対して定義さ
れている。一方、自然旋光性は回転が光の進行方向に
対して定義されている。
図2.7に示すように、ブドウ糖液中を光を往復させると
戻ってきた光は全く旋光していないが、磁界中のガラス
を往復した光は、片道の場合の２倍の回転を受ける。
自然旋光
ファラデー効果
強磁性体のファラデー効果
ガラスのファラデー効果に比べ、強磁性体、フェ
リ磁性体は非常に大きなファラデー回転を示す。
飽和磁化状態の鉄のファラデー回転は１cmあ
たり380,000゜に達する。強磁性体のファラデー
回転角の飽和値は物質定数である。
１cmもの厚さの鉄ではもちろん光は透過しないが
薄膜を作ればファラデー回転を観測することが可能
である。例えば30 nmの鉄薄膜では光の透過率は
約70 %で、回転角は約１゜となる。
代表的な磁性体のファラデー効果
物質名
旋光角 性能指数 測定波長 測定温度 磁界
(deg/cm) (deg/dB)
(nm)
(K)
(T)
---------------------------------------------------------------------------------------Fe
3.825･105
578
室温
2.4
Co
1.88･105
546
〃
2
Ni
1.3･105
826
120 K
0.27
Y3Fe5O12* 250
1150
100 K
Gd2BiFe5O12 1.01･104
44
800
室温
MnSb
2.8･105
500
〃
MnBi
5.0･105
1.43
633
〃
YFeO3
4.9･103
633
〃
NdFeO3
4.72･104
633
〃
CrBr3
1.3･105
500
1.5K
EuO
5･105
104
660
4.2 K
2.08
CdCr2S4 3.8･103
35(80K)
1000
4K
0.6
強磁性体の磁気ヒステリシス
磁性になじみのない方のために、強磁性体の磁化曲線を示す。
強磁性体においては、磁化が外部磁界に対しヒステリシスを示す。
O→B→C:初磁化曲線
C：飽和磁化
D：残留磁化
E: 保磁力
C→D→E→F→G→C:
ヒステリシスループ
G’:マイナーループ
ヒステリシスと磁区
磁気飽和
残留磁化状態
逆磁区の発生と成長
核発生
ファラデー効果で磁化曲線を測る
強磁性体では旋光角は物質定数であるが、飽和して
いない場合には、巨視的な磁化に関係する量となる。
従って、ファラデー効果を用いて磁化曲線を測ること
ができる。
ファラデー効果は磁化ベクトルと光の波動ベクトルと
が平行なとき最大となり、垂直のとき最小となる、すな
わち，磁化と波動ベクトルのスカラー積に比例する。
測定に使う光のスポット径が磁区よりも十分大きけれ
ば近似的にいくつかの磁区の平均の磁化の成分を見
ることになる。
ファラデー効果による磁化曲線測定
ここには、物理システム工学科の3年次の学生
実験でおこなっている「磁性」テーマの中で、
MOD法で作製したYIG:Bi薄膜の磁気光学効果
を用いてヒステリシス曲線を測定する実験を紹
介し、磁化の反転を光で検出できることを示す。
光磁気ディスクやミニディスクでは、これと同じ
原理を使って、磁気記録された情報を読み出し
ている。
原理
ファラデー回転角θ
入射偏光
透過偏光
試料
装置
青色LED
偏光板
試料
コイル
差動検出器
差動検出器の説明
偏光ビームスプリッタ
透過光
光センサー１
偏光光
反射面
－
光センサー２
+
出力
結果
ファラデー効果
1.5
ガラスのファラデー効果を含んでいる
ファラデー回転角（deg）
1
0.5
0
-300000
-200000
-100000
0
100000
200000
-0.5
YIG:Biのみのファラデー効果
-1
-1.5
磁場（A/m）
300000
補正前
補正後
磁性ガーネットの磁区の変化
趙(東工大)、
佐藤(農工大)
ファラデー効果を用いた
磁区のイメージング
CCDカメラ
検光子
対物レンズ
回転λ/4板
偏光子
干渉フィルタ
佐藤研で開発した
円偏光変調方式
磁気光学顕微鏡
ファラデー効果で観察した
Bi置換YIGの磁区
磁気カー効果
磁気カー効果は、反射光に対するファラデー
効果といってもよい。Kerrという人は電気光
学効果の研究でも有名で一般にカー効果と
いうと電気光学効果のほうをさすことが多い
ので区別のため磁気カー効果と呼んでいる。
磁気カー効果
３つのMO-Kerr 効果
極カー効果（磁化が反射面の法線方向、直線偏光は傾い
た楕円偏光となる）
縦カー効果（磁化が試料面内＆入射面内、直線偏光は傾
いた楕円偏光となる）
横カー効果（磁化が試料面内、入射面に垂直偏光の回転
はないが磁界による強度変化）
代表的な磁性体のカー回転角
物質名
カー回転角 測定光エネルギー 測定温度
磁界
(deg)
(eV)
(K)
(T)
----------------------------------------------------------------------------------------Fe
0.87
0.75
室温
Co
0.85
0.62
〃
Ni
0.19
3.1
〃
Gd
0.16
4.3
〃
Fe3O4
0.32
1
〃
MnBi
0.7
1.9
〃
CoS2
1.1
0.8
4.2
0.4
CrBr3
3.5
2.9
4.2
EuO
6
2.1
12
USb0.8Te0.2 9.0
0.8
10
4.0
CoCr2S4
4.5
0.7
80
a-GdCo * 0.3
1.9
298
PtMnSb
2.1
1.75
298
1.7
CeSb
90
0.46
1.5
5.0
磁気光学スペクトル
磁気旋光（ファラデー回転、カー回転）に限らず一般に
旋光度は、光の波長に大きく依存する。旋光度の波長
依存性を化学の分野では旋光分散（optical rotatory
dispersion；ＯＲＤ）と呼んでいる。物理の言葉では旋
光スペクトルである
旋光度や円二色性は物質が強い吸光度を示す波長
領域で最も大きく変化する。これを化学の方では異常
分散と称する
何が異常かというと、一般に吸収のない波長では旋光度は
波長の二乗に反比例して単調に変化するのに対し、特定の
波長でピークを持ったり、微分波形を示したりするからであ
る
磁気光学ヒステリシス
ループの波長依存性
図2.11はいくつかの測定波長にお
けるアモルファスＧｄＣｏ薄膜のカー
効果のヒステリシス曲線である
この図を見るとヒステリシスループ
の高さばかりでなく、その符号まで
が波長とともに変ることが分る
なぜ磁気光学で測定したヒステリシ
スは波長によって大きさが変わった
り反転したりすることがあるのだろう
か？
GdCoの磁気光学スペクトル
図はアモルファスGdCo薄膜の残留
磁化におけるカー回転およびカー楕
円率を光子のエネルギーＥに対して
プロットしたスペクトルである。大きさ
や符号が変化することが理解されよ
う。
なぜエネルギーを横軸にとるかという
と、このような磁気光学効果スペクト
ルはそれぞれの物質の電子エネル
ギー構造に基づいて生じているもの
であるからである。 （光の波長λとエ
ネルギーＥの間の関係は、波長λを
μmを単位として表した場合、EをeV
単位としてＥ＝1.2398/λで与えられ
る。）
なぜスペクトル測定？
第４章で述べるように磁気光学効果は物質中
での特定の光学遷移の円偏光に対する選択則
から生じる。
このため、磁気光学スペクトルは物質の電子構
造を反映する。
逆に、電子構造を調べる手段として磁気光学効
果を用いることもできる．
第2回のまとめ
この講義では、次のことを学んだ
偏光には直線偏光・円偏光楕円偏光があること
旋光性と円二色性をあわせて光学活性という
磁界(または磁化)がある場合の光学活性を磁気光学効
果という
磁気光学効果にはファラデー効果、磁気カー効果がある
磁気光学効果を使って光をスイッチしたり、磁気ヒステリ
シスを測定したりすることができる
磁気光学効果の大きさや符号は、波長（または光子エネ
ルギー）に依存する
第2回の課題・質問・要望
1.
2.
自然旋光性とファラデー回転の違いについて
説明せよ。
磁気光学効果で測定したヒステリシス曲線は
なぜ波長によってひっくり返ることがあるのか
説明せよ。
上記課題の回答と、この講義に対する質問・
要望（もしあれば）を、佐藤勝昭までメール添
付で送付してください。
[email protected]